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金属在受热膨胀时通常会软化，但由香港城市大学 (CityU) 学者和其他研究人员领导的研究小组发现了一种首创的超弹性合金，即使在受热后仍能保持其刚度加热到 1,000 K（726.85 摄氏度）或以上，几乎为零的能量耗散。该团队认为，该合金可用于制造用于太空任务的高精度设备。
该研究团队由城大机械工程系（MNE）杨勇教授及其合作者领导。该研究结果发表在科学杂志《自然》上，标题为“一种高度扭曲的超弹性化学复杂的埃林瓦合金”。
具有挑战性的热膨胀原理
通常，大多数固体（包括金属）的弹性模量，即刚度，会在温度因热膨胀而升高时降低。然而，杨教授和他的团队发现一种名为Co 25 Ni 25 (HfTiZr) 50的高熵合金，或“高熵Elinvar合金”揭示了Elinvar效应。这意味着合金在很宽的温度变化范围内都能牢固地保持其弹性模量。
“当这种合金被加热到 1,000 K，即 726.85 摄氏度甚至更高时，它的刚度与室温下相当，并且在没有任何显着相变的情况下膨胀。这改变了我们的教科书知识，因为金属通常在它们在加热下膨胀，”杨教授说。
 杨教授解释说，这是一个偶然的发现。“我们在 2017 年发现了这种现象，并花了几年时间试图了解潜在的机制，以确定为什么合金的刚度不会随着温度的升高而改变，”他补充道。实验验证了合金的微观结构和机械性能对 1,273 K（1,000 摄氏度）不同时间的退火不敏感。
“这意味着合金的刚度不受温度的影响。根据文献，在我们的发现之前，没有发现任何已知的金属具有这种行为，”杨教授说。
特殊结构带来独特性能
杨教授和他的团队最近发现了这一发现背后的原因：一种特殊的高度扭曲的晶格结构，具有复杂的原子级化学成分。由于结合了独特的结构特征，高熵 Elinvar 合金对位错运动具有非常高的能垒。因此，它显示出令人印象深刻的弹性应变极限和近 100% 的储能能力。
研究小组还发现，高熵 Elinvar 合金的弹性极限——在不引起永久变形的情况下可以在其中产生的最大应变——在室温下以块状形式存在约 2%，这与传统的结晶合金形成鲜明对比，后者具有弹性极限小于 1%。
虽然几年前曾报道过具有相似成分的合金，但当时对其结构和行为尚不了解。在这项研究中，该团队为具有不同元素原子分布的同一合金开发了三种原子结构模型，并比较了它们的性能。他们基于对合金系统的系统研究为这一发现申请了专利。
 制造高精度设备的潜力
有趣的是，研究小组发现这种合金“非常有弹性”，可以储存大量的弹性能量。杨教授指出，该合金可用于储能，用于后续的能量转换。“由于弹性不会耗散能量，因此不会产生热量，从而导致设备发生故障，这种超弹性合金将用于高精度设备，如手表和精密时计，”他解释说。
研究小组设想了该合金的许多应用，特别是在航空航天工程中，其中设备和机械预计会经历剧烈的温度变化。“例如，我们知道月球表面的温度范围为 122 摄氏度到 -232 摄氏度。这种合金在极端环境下仍将保持坚固和完整，因此非常适合未来的机械天文台运行在太空任务期间的广泛温度范围内，”杨教授说。 版权声明：本公众号所载内容为本公众号原创或网络转载，转载内容版权归原作者所有。如涉及作品内容、版权或其他问题，请跟我们联系！转载内容为作者个人观点，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。本公众号拥有对此声明的最终解释权。
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